Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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L 40 20 V n 3 24 Reflets de la Physique n°59 0 -20 15 10 5 0 140 100 60 20 0 20 40 60 80 100 120 Temps en secondes depuis 13:05:30 6. Données du satellite MMS1 pour le 16 octobre 2015, à partir de 13:05:30, tracées en fonction du temps  : champ magnétique, densité des ions, température des électrons (parallèlement et perpendiculairement au champ magnétique). Les régions identifiées comme clairement à une dimension par l’analyse du tenseur ∇B sont surlignées en bleu et numérotées de 1 à 4. magnétosphére 1 2 4 Jet d’électrons accélérés magnétogaine Flot de plasma de vent solaire Trajectoire de MMS 7. Traversée de la magnétopause par MMS  : interprétation de la figure 6 (vue d’artiste). À droite  : trajectoire relative des satellites par rapport à la frontière supposée stationnaire pendant le temps de la traversée (dans la réalité c’est plutôt la frontière qui bouge, le mouvement des satellites sur leur orbite, de l’ordre de 5 km/s, est nettement plus lent que celui de la frontière, de l’ordre de 50 km/s). Les quatre normales représentées correspondent aux zones 1D surlignées en bleu sur la figure 6. La partie gauche représente le modèle simpliste auquel on était limité avant MMS (V n est une vitesse normale globale). Le fond de la partie droite de la figure est une carte de ce que pourrait être le champ magnétique à l’intérieur de la frontière, compte tenu des nouvelles informations accessibles. Références Température (eV) Densité (cm -3) Champ magnétique (nT) G. Belmont et al., Collisionless Plasmas in Astrophysics, Wiley (2013). G. Belmont, F. Sahraoui etL. Rezeau, « Turbulence dans les plasmas spatiaux », Images de la physique (2007) 29-34. O. Le Contel et al., Geophys. Res. Lett., 43 (2016) 5943–5952. 1 2 3 4 B x B y B z T e//T e J.L. Burch et al., Science, 352 (2016) aaf2939.C. Pollock et al., Space Science Reviews, 199 (2016) 331–406.L. Rezeau et al., «Analyzing the magnetopause internal structure : new possibilities offered by MMS tested on a case study», J. Geophys. Res. Space Physics, 23 (2018) 227-241. » > Les premières observations La figure 6 montre un exemple de traversée de la magnétopause (de la magnétosphère vers la magnétogaine), observée par l’un des satellites de MMS et identifiée grâce aux modifications importantes de tous les paramètres visibles au début de la période (à partir det = 14 s)  : le champ magnétique se retourne, la densité du plasma augmente fortement pendant que la température des électrons chute. Les autres satellites voient des signatures très semblables, les décalages étant difficiles à percevoir ici. Néanmoins, l’utilisation de plusieurs satellites permet d’analyser la structure de la frontière et de vérifier si elle ressemble à l’image simple qu’on se fait d’une discontinuité, frontière plane (donc à une dimension) en mouvement relatif par rapport au satellite (partie gauche de la figure 7). Dans le cas présent, le mouvement apparent du satellite dans la frontière (c’est en réalité la frontière qui se déplace) commence par une traversée franche de la couche de courant de la magnétosphère vers la magnétogaine, qui apparait bien être une discontinuité plane. Ensuite, le satellite reste plus ou moins dans la magnétopause et revient même en arrière pour se retrouver à nouveau dans une région à une dimension juste avant t = 27 s puis, de nouveau, vers t = 90 s et enfin, très brièvement, vers t = 103s. Entre ces régions, qui peuvent être identifiées comme 1D par l’analyse du tenseur ∇B, on a des régions où le problème est plus complexe (souvent 2D, parfois complètement 3D). Vers t = 85-95s, on observe sur la température des électrons une forte anisotropie qui correspond à une déformation de la fonction de distribution des électrons associée à un champ électrique parallèle au champ magnétique. La partie droite de la figure 7 illustre comment on peut interpréter la structure de la frontière pendant que les satellites MMS la traversent. La fin de la période correspond très probablement au passage près d’un point enX. Un deuxième exemple des possibilités offertes par la mission MMS est illustré par la figure 8. On observe sur la figure 8a la signature d’ondes de fréquence de l’ordre de 100 Hz, à des périodes bien localisées dans le temps (zones encadrées en jaune). On constate (fig. 8b) que ces périodes correspondent à un maximum local de la densité du plasma, associé à un minimum du module du champ (zones encadrées en
marron). Ces structures sont appelées modes « miroir » puisque les électrons peuvent se retrouver piégés à l’intérieur, comme entre deux miroirs magnétiques. Ce qui est nouveau, c’est la possibilité d’obtenir les fonctions de distribution détaillées des électrons à ces échelles de temps. On voit clairement grâce à cela (fig. 8c) que les électrons sont effectivement piégés par le champ magnétique dans les modes miroir (les traits noirs figurent les angles d’attaque entre lesquels les électrons sont piégés). Le dernier exemple met en lumière le fait que la dynamique de la reconnexion ne peut être traitée sans décrire la dynamique propre des électrons. L’équation fluide de conservation de la quantité de mouvement électronique peut s’écrire sous la forme suivante (loi d’Ohm généralisée), où P e est le tenseur de pression électronique, u e la vitesse des électrons  : E + (u e x B) = (j/s) – (∇.P e/ne) – (m e/e) d t u e Le premier terme dans le membre de droite (j/s) est le terme classique de résistivité. Il est complètement négligeable ici, car il n’y a pas de friction entre les électrons et les ions  : le plasma est « sans collisions ». Quand les autres termes sont négligeables aussi devant u e x B, ce qui est le cas aux grandes échelles, le champ magnétique est gelé dans le fluide électronique. Ces termes deviennent non négligeables pour les échelles plus petites, respectivement, que le rayon de Larmor et la longueur d’inertie des électrons. La qualité des données de MMS permet de mesurer chacun de ces termes séparément. Le gradient du tenseur de pression électronique est calculé avec la même méthode que le rotationnel du champ magnétique, en utilisant les mesures aux quatre points des quatre satellites. On trace ces termes lors d’une traversée de la magnétopause (fig. 9), identifiée grâce au champ magnétique et à la densité (panneaux a et b). Les différents termes de la loi d’Ohm sont tracés sur le panneau d. On constate que les deux derniers termes sont négligeables, sauf dans la partie entourée en rouge  : cette zone correspond à la partie de la traversée de la magnétopause où l’on voit des électrons accélérés (panneau c). Le terme d’inertie des électrons (en vert) est ici toujours négligeable. On voit qu’à l’endroit où se produit la reconnexion, on est bien en présence de deux des signatures attendues  : électrons accélérés et phénomènes non idéaux (tenseur de pression électronique dominant dans le champ électrique). B (nT) N (cm -3) U e (km s -1) E x (mV m -1) 1000 f (Hz) 100 10 40 N (cm -3) 30 B (nT) 20 10 θ (°) 180 90 40 20 0 -20 9 8 7 1000 0 -1000 5 0 -5 0 12:05:42 MMS3 00:19:30 00:19:45 00:20:00 12:05:43 Temps E -U e x B Avancées de la recherche B x B y B z lBl Ue x Ue y Ue z -∇.P e/ne Inertie 12:05:44 -2 -4 -6 -8 -26,2 -26,4 a O b O -26,6 c O 8. Observations d’ondes dans la magnétogaine, le 22 janvier 2016, par le satellite MMS3. En haut  : spectrogramme de la composante magnétique des ondes mesurée avec les magnétomètres du LPP (l’amplitude est tracée en code couleur en fonction du temps et de la fréquence). En dessous  : module du champ magnétique B et densité du plasma N en fonction du temps. Tout en bas  : fonction de distribution des électrons tracée en fonction du temps et de l’angle d’attaque θ (angle de la vitesse des particules avec le champ magnétique statique). Lignes noires  : les limites de piégeage des électrons dans le champ magnétique (on reconnait l’allure du module du champ représenté sur la figure b). 9. Mesure par MMS de différents paramètres physiques lors d’une traversée de la magnétopause. Données de MMS1 pour le 27 janvier 2017, autour de 12:05:43, tracées en fonction du temps  : champ magnétique (a), densité du plasma (b), vitesse des électrons (c), et différents termes de la loi d’Ohm avec les codes couleur indiqués sur la figure (d). Conclusion La reconnexion est un phénomène complexe qui associe grandes et petites échelles, temps longs et temps courts. Les conséquences à grande échelle d’un événement sont la reconfiguration du champ magnétique et une accélération du plasma. Elles sont relativement faciles à observer, car elles durent assez longtemps. Au contraire, les causes sont des phénomènes à petite échelle et de courte durée. Pour les O O observer, il faut avoir un outil adapté, qui se situe au bon endroit et qui mesure tous les paramètres avec une grande cadence d’échantillonnage au bon moment. On voit qu’avec MMS on s’est donné les moyens de réaliser ces mesures. ❚ Les auteurs remercient Olivier Le Contel, Hugo Breuillard, Giulia Cozzani, Jérémy Dargent et Roberto Manuzzo, ainsi que le CNES et le CNRS qui financent la participation française à MMS (Service national d’observation de l’INSU). Reflets de la Physique n°59 25 a b c d



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